Wissenschaft

Satelliten prognostizieren das Wetter der Erde aus dem Weltraum

Ein Satellitenbild von Wolken oder Hurrikanen ist unverkennbar. Aber wie viel wissen Sie über Wettersatelliten, abgesehen von der Erkennung von Wettersatellitenbildern?

In dieser Diashow werden wir die Grundlagen untersuchen, von der Funktionsweise von Wettersatelliten bis hin zur Verwendung der daraus erzeugten Bilder für die Vorhersage bestimmter Wetterereignisse.

 

Wettersatellit

iLexx / E + / Getty Images

 

Wie gewöhnliche Weltraumsatelliten sind Wettersatelliten künstliche Objekte, die in den Weltraum gestartet werden und die Erde umkreisen oder umkreisen. Anstatt Daten zur Erde zurückzusenden, die Ihr Fernseh-, XM-Radio- oder GPS-Navigationssystem am Boden antreiben, übertragen sie Wetter- und Klimadaten, die sie in Bildern an uns „sehen“.

 

Vorteile

Genau wie die Aussicht auf das Dach oder die Bergspitze einen größeren Blick auf Ihre Umgebung bietet, ermöglicht die Position eines Wettersatelliten, der mehrere hundert bis tausend Meilen über der Erdoberfläche liegt, das Wetter in einem benachbarten Teil der USA oder der West- oder Ostküste Grenzen noch zu beachten. Diese erweiterte Ansicht hilft Meteorologen auch dabei. Wettersysteme und -muster Stunden bis Tage zu erkennen, bevor sie von Oberflächenbeobachtungsinstrumenten wie Wetterradar erkannt werden .

Da Wolken Wetterphänomene sind, die am höchsten in der Atmosphäre „leben“, sind Wettersatelliten dafür berüchtigt, Wolken und Wolkensysteme (wie Hurrikane) zu überwachen, aber Wolken sind nicht das einzige, was sie sehen. Wettersatelliten werden auch verwendet, um Umweltereignisse zu überwachen, die mit der Atmosphäre interagieren und eine breite Flächendeckung aufweisen, wie Waldbrände, Staubstürme, Schneedecke, Meereis und Meerestemperaturen.

Nachdem wir nun wissen, was Wettersatelliten sind, werfen wir einen Blick auf die beiden Arten von Wettersatelliten und die Wetterereignisse, die jeweils am besten erkannt werden können.

 

Polar Orbiting Wettersatelliten

Das COMET-Programm (UCAR)

Die Vereinigten Staaten betreiben derzeit zwei Satelliten mit polarer Umlaufbahn. POES (kurz für P olar O perating E nvironmental S atellite) genannt, arbeitet man morgens und einer abends. Beide sind zusammen als TIROS-N bekannt.

TIROS 1, der erste existierende Wettersatellit, war polar umlaufend, was bedeutete, dass er jedes Mal, wenn er sich um die Erde drehte, über den Nord- und Südpol flog.

Polar umlaufende Satelliten umkreisen die Erde in relativ geringer Entfernung (ungefähr 500 Meilen über der Erdoberfläche). Wie Sie vielleicht denken, können sie damit hochauflösende Bilder gut aufnehmen. Ein Nachteil der Nähe ist jedoch, dass sie nur einen schmalen Bereich gleichzeitig „sehen“ können. Da sich die Erde jedoch unter dem Pfad eines Satelliten mit polarer Umlaufbahn von West nach Ost dreht, driftet der Satellit bei jeder Erdumdrehung im Wesentlichen nach Westen.

Satelliten mit polarer Umlaufbahn passieren nie mehr als einmal täglich denselben Ort. Dies ist gut geeignet, um ein vollständiges Bild der Wetterbedingungen auf der ganzen Welt zu erhalten. Aus diesem Grund eignen sich polar umlaufende Satelliten am besten für Wettervorhersagen und -überwachungsbedingungen mit großer Reichweite wie El Niño und das Ozonloch. Dies ist jedoch nicht so gut, um die Entwicklung einzelner Stürme zu verfolgen. Dafür sind wir auf geostationäre Satelliten angewiesen.

 

Geostationäre Wettersatelliten

NOAA / NASA GOES-Projekt

 

Die Vereinigten Staaten betreiben derzeit zwei geostationäre Satelliten. Spitznamen GOES für “ G eostationary O OPERATIONELLE E nvironmental S atellites“ , eine Uhr über die Ostküste hält (GOES-Ost) und die andere, über die Westküste (GOES-West).

Sechs Jahre nach dem Start des ersten Satelliten mit polarer Umlaufbahn wurden geostationäre Satelliten in die Umlaufbahn gebracht. Diese Satelliten „sitzen“ am Äquator und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der sich die Erde dreht. Dies gibt ihnen den Anschein, am selben Punkt über der Erde still zu bleiben. Außerdem können sie im Laufe eines Tages kontinuierlich dieselbe Region (die nördliche und die westliche Hemisphäre) anzeigen. Dies ist ideal für die Überwachung des Echtzeitwetters zur Verwendung bei kurzfristigen Wettervorhersagen wie Unwetterwarnungen .

Was machen geostationäre Satelliten nicht so gut? Nehmen Sie scharfe Bilder auf oder „sehen“ Sie die Pole, da es sich um einen polar umlaufenden Bruder handelt. Damit geostationäre Satelliten mit der Erde Schritt halten können, müssen sie in größerer Entfernung von ihr umkreisen (genauer gesagt in einer Höhe von 35.786 km). Und bei dieser größeren Entfernung gehen sowohl Bilddetails als auch Ansichten der Pole (aufgrund der Erdkrümmung) verloren.

 

Wie Wettersatelliten funktionieren

Ein Diagramm, das zeigt, wie Wettersatelliten funktionieren
Kanada Zentrum für Fernerkundung

Empfindliche Sensoren innerhalb des Satelliten, sogenannte Radiometer, messen die Strahlung (dh Energie), die von der Erdoberfläche abgegeben wird und von der der größte Teil für das bloße Auge unsichtbar ist. Die Arten von Energiewettersatelliten, die gemessen werden, fallen in drei Kategorien des elektromagnetischen Lichtspektrums: sichtbar, infrarot und infrarot bis terahertz.

Die Intensität der in allen drei dieser Bänder oder „Kanäle“ emittierten Strahlung wird gleichzeitig gemessen und dann gespeichert. Ein Computer weist jeder Messung in jedem Kanal einen numerischen Wert zu und wandelt diese dann in ein Graustufenpixel um. Sobald alle Pixel angezeigt werden, ist das Endergebnis ein Satz von drei Bildern, die jeweils zeigen, wo diese drei verschiedenen Arten von Energie „leben“.

Die nächsten drei Dias zeigen dieselbe Ansicht der USA, jedoch aus dem sichtbaren, infraroten und Wasserdampf. Können Sie die Unterschiede zwischen den beiden feststellen?

 

Sichtbare (VIS) Satellitenbilder

GOES-East-Satellitenansicht der Wolkenverteilung in den USA
NOAA

Bilder aus dem sichtbaren Lichtkanal ähneln Schwarzweißfotos. Dies liegt daran, dass Satelliten, die für sichtbare Wellenlängen empfindlich sind, ähnlich wie bei einer Digital- oder 35-mm-Kamera Sonnenstrahlen aufzeichnen, die von einem Objekt reflektiert werden. Je mehr Sonnenlicht ein Objekt (wie unser Land und unser Ozean) absorbiert, desto weniger Licht wird zurück in den Weltraum reflektiert und desto dunkler erscheinen diese Bereiche in der sichtbaren Wellenlänge. Umgekehrt erscheinen Objekte mit hohem Reflexionsvermögen oder Albedos (wie die Wolkendecken) am hellsten weiß, weil sie große Lichtmengen von ihren Oberflächen reflektieren.

Meteorologen verwenden sichtbare Satellitenbilder, um Folgendes vorherzusagen / anzuzeigen:

  • Konvektionsaktivität (dh Gewitter )
  • Niederschlag (Da der Wolkentyp bestimmt werden kann, können ausfallende Wolken gesehen werden, bevor Regenschauer auf dem Radar erscheinen.)
  • Rauchwolken von Bränden
  • Asche von Vulkanen

Da Sonnenlicht erforderlich ist, um sichtbare Satellitenbilder aufzunehmen, sind sie abends und über Nacht nicht verfügbar.

 

Infrarot (IR) Satellitenbilder

GOES-East Infrarot-Satellitenansicht der Wolkenverteilung über den Vereinigten Staaten
NOAA

Infrarotkanäle erfassen die von Oberflächen abgegebene Wärmeenergie. Wie bei sichtbaren Bildern erscheinen wärmste Objekte (wie Land und niedrige Wolken), die Wärme aufnehmen, am dunkelsten, während kältere Objekte (hohe Wolken) heller erscheinen.

Meteorologen verwenden IR-Bilder, um Folgendes vorherzusagen / anzuzeigen:

  • Cloud-Funktionen bei Tag und Nacht
  • Wolkenhöhe (Weil die Höhe an die Temperatur gebunden ist)
  • Schneedecke (Erscheint als fester grauweißer Bereich)

 

Wasserdampf (WV) Satellitenbilder

GOES-East Wasserdampfsatellitenansicht der Wolken- und Feuchtigkeitsverteilung über den Vereinigten Staaten
NOAA

Wasserdampf wird für seine Energie erfasst, die im Infrarot- bis Terahertz-Bereich des Spektrums emittiert wird. Wie sichtbar und IR zeigen die Bilder Wolken, aber ein zusätzlicher Vorteil ist, dass sie auch Wasser in seinem gasförmigen Zustand zeigen. Feuchte Luftzungen erscheinen neblig grau oder weiß, während trockene Luft durch dunkle Regionen dargestellt wird.

Wasserdampfbilder werden manchmal zur besseren Anzeige farbverstärkt. Für verbesserte Bilder bedeuten Blau und Grün eine hohe Feuchtigkeit und Braun eine niedrige Feuchtigkeit.

Meteorologen verwenden Wasserdampfbilder, um beispielsweise vorherzusagen, wie viel Feuchtigkeit mit einem bevorstehenden Regen- oder Schneeereignis verbunden sein wird. Sie können auch verwendet werden, um den Jetstream zu finden (er befindet sich entlang der Grenze zwischen trockener und feuchter Luft).

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